(57)【要約】【課題】はんだ付け部が温度サイクルで剥離することがない、グリースレスの回路基板を提供すること。【解決手段】一方の面が平面１１、１１’で他方の面にフィン１２、１２’をもつヒートシンク１、１’と、前記ヒートシンク１、１’の前記平面１１、１１’に固定された絶縁層２と、前記絶縁層２の前記ヒートシンク１、１’とは反対側の面に固定された導電性の配線回路部３と、を具備し、前記ヒートシンク１、１’がＡｌとＳｉＣの複合材料からなることを特徴とする配線基板。  配線回路部が絶縁層を介して低熱膨張係数のＡｌ−ＳｉＣ複合材製のヒートシンクに固定されているので、温度サイクルによるはんだ層へ発生する応力が小さくはんだ付け部が剥離することがない。また、放熱板がないので、グリースレス化が図れ、熱抵抗を低減できる。【選択図】図１
2006286680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面が平面で他方の面にフィンをもつヒートシンクと、
前記ヒートシンクの前記平面に固定された絶縁層と、
前記絶縁層の前記ヒートシンクとは反対側の面に固定された導電性の配線回路部と、
を具備し、
前記ヒートシンクがＡｌとＳｉＣの複合材料からなることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記ヒートシンクの前記フィンが所定の形状の規則的な繰り返しであることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種電子機器、例えばインバータや電源回路等に用いられる配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子デバイスの実装の高密度化に伴って配線基板の単位当たりのデバイス発熱量は上昇傾向にある。電子デバイスの温度上昇はその特性や寿命等に影響し、ひいては電子機器自体の信頼性に影響を与える。特にパワー回路におけるその傾向は一段と強く、パワー回路の信頼性を向上させるには発熱デバイスの熱をいかに放熱するかが重要な課題である。このため、この種のパワー回路には熱伝導性のよい金属製の放熱板上に絶縁層を介して導電性の配線回路パターンを形成した配線基板が用いられている。
【０００３】
例えば、従来は図８に示すような配線基板が用いられてきた（例えば、特許文献１参照)。図８において、１０１はＡｌ製の放熱板、１０２は放熱板１０１の上面に固定された絶縁層、１０３は絶縁層１０２の上面に固定された配線回路部、１０４はグリース、１０５はＡｌ製の冷却フィンである。配線回路部１０３、絶縁層１０２が固定された放熱板１０１はグリース１０４を介して冷却フィン１０５にねじ止めされている。
【０００４】
配線回路部１０３の上にデバイスをはんだ付けすると、Ａｌは線膨張係数が大きくデバイスとの線膨張係数差のため高温から低温、低温から高温の温度サイクルによってはんだへ大きな応力が発生し、はんだ付け部が剥離するといった問題を有していた。また、放熱板と冷却フィンの間の熱抵抗を下げるためにシリコングリースを介してねじ止めしなければならず、部品実装が煩雑であった。さらに、グリースを介してもそれほど熱抵抗を下げることができず、放熱性を大きくできなかった。
【０００５】
Ａｌ−ＳｉＣは、線膨張係数が小さいため、ヒートシンク材に適している。しかしながら、フィン付きのヒートシンクは、通常、金型への高圧鋳造によって作製されるため、Ａｌ−ＳｉＣは、線膨張係数が小さく、金型との線膨張係数差により鋳造品が金型に食い込み離型が困難である。また、塩中子を用いて線膨張係数差を小さくしてヒートシンクを鋳造することが試みられている（例えば、特許文献２参照）が、塩中子は、非常に強度が弱いため、Ａｌ−ＳｉＣ粉末充填時に破壊したり、粉末嵩密度を高くできず溝深さを大きくできなかった。
【０００６】
溝を、切削や、レーザで加工することも考えられるが、Ａｌ−ＳｉＣは、硬脆材であるため切削が難しい。また、レーザ加工では溝深さが大きい高アスペクト比のフィンを加工することが難しい。
【特許文献１】特開平５−２７５８２２号公報
【特許文献２】特開平１１−１２６８７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の従来の配線基板の問題に鑑みてなされたものであり、はんだ付け部が温度サイクルで剥離することがない、グリースレスの回路基板を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、配線基板であって、一方の面が平面で他方の面にフィンをもつヒートシンクと、前記ヒートシンクの前記平面に固定された絶縁層と、前記絶縁層の前記ヒートシンクとは反対側の面に固定された導電性の配線回路部と、を具備し、前記ヒートシンクがＡｌまたはＡｌ合金とＳｉＣの複合材料からなることを特徴としている。ここで、Ａｌとは純Ａｌ（９９％以上）である。Ａｌ合金を用いる場合、熱伝導率の向上を図れる合金元素を適当量だけＡｌに添加すると好適である。また、Ａｌ又はＡｌ合金とＳｉＣの混合比は、ＳｉＣが全体の４０〜７５ｖｏｌ％であることが好ましい。ＳｉＣが４０ｖｏｌ％未満ではＡｌの線膨張係数に支配され、線膨張係数が１０×１０-6／℃を超え、ＳｉＣが７５ｖｏｌ％を超えるとＡｌが少なすぎるため、焼結法では組成の緻密化が困難である。
【０００９】
配線回路部が絶縁層を介して低線膨張係数のＡｌ−ＳｉＣ複合材製のヒートシンクに固定されているので、温度サイクルによるはんだ層へ発生する応力が小さく、はんだ付け部が剥離することがない。また、放熱板がないので、グリースレス化が図れ、熱抵抗を低減できる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の配線基板であって、前記ヒートシンクの前記フィンが所定の形状の規則的な繰り返しであることを特徴としている。フィンの形状は、ストレート、波板状、格子状や折れ線状、鋸歯状などＸＹＺ３軸ステージの移動によって所定の形状が規則的に繰り返して形成される形状のフィンを含むものとする。
【００１１】
この場合、フィンの加工が容易となる。また、フィンの表面積が増大し、その分ヒートシンクの放熱性が向上する。
【発明の効果】
【００１２】
配線回路部が絶縁層を介して低線膨張係数のＡｌ−ＳｉＣ複合材製のヒートシンクに固定されているので、温度サイクルによるはんだ層へ発生する応力が小さく、はんだ付け部が剥離することがない。また、放熱板がないので、グリースレス化が図れ、熱抵抗を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る配線基板の側面図である。図１において、１ａは一方の面に平面１１ａを、他方の面にフィン１２ａをもつヒートシンク、２は絶縁層、３は配線回路部である。
【００１５】
ヒートシンク１ａは、Ａｌ−ＳｉＣブロックの上面を平面１１ａとし、下面にウォータージェット加工によって幅ａ、深さｂの溝を所定のピッチ（本実施形態ではａ＋ｃ）で形成し、溝と溝の間の幅ｃの山部をフィン１２ａとすることで作製される。
【００１６】
本実施形態のＡｌ−ＳｉＣブロックは、例えば、３０％のＡｌと７０％のＳｉＣ粉末の高圧鋳造によって作られ、次のような特性を持っている。すなわち、密度は、３．０４ｇ／ｃｍ3、熱伝導率は、２５０Ｗ／ｍＫ、ヤング率は、２１０ＧＰａ、線膨張係数は、７．８×１０-6／℃である。
【００１７】
ウォータージェト加工は、硬脆材であるＡｌ−ＳｉＣを容易に加工することができ、高アスペクト比（ｂ／ｃ）のフィンを加工することができる。また、ウォータージェット加工では、任意の形状のフィンを加工することもできる。
【００１８】
本実施形態のヒートシンク１ａのフィン１２ａの形状は規則的な繰り返しであるストレートで、フィン幅ｃは２ｍｍ、溝の幅ａは１ｍｍ、溝の深さｂは８ｍｍ、フィン１２のピッチ（ａ＋ｃ）は３ｍｍであるが、これは次のようにして加工されたものである。すなわち、Ａｌ−ＳｉＣブロックの下面が上面になるようにしてＸＹＺ３軸移動ステージにＸ軸が溝の幅方向、Ｙ軸が溝の奥行き方向、Ｚ軸が溝の深さ方向になるように固定した。次にノズル径０．８ｍｍのノズルの先端から被加工面までの距離を１０ｍｍになるように、Ｚ軸ステージを調節する。次に、ノズルからガーネット微粒子が含まれた水を２８００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で被加工面に噴射しながらＹ軸ステージでＡｌ−ＳｉＣブロックを１５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で走査させる。１回の走査で深さ２ｍｍの溝ができるので、次にＺ軸移動ステージで被加工物のＡｌ−ＳｉＣブロックを２ｍｍ上昇させてノズルの先端に近づけ、ノズルからガーネット微粒子が含まれた水を２８００Ｋｇ／ｃｍ2の圧力で被加工面に噴射しながらＹ軸ステージでＡｌ−ＳｉＣブロックを１５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で走査することを繰り返す。そして、これを４回繰り返して、深さｂを８ｍｍにする。次に、Ｚ軸ステージを元の位置に戻して、Ｘ軸ステージで被加工物のＡｌ−ＳｉＣブロックを３ｍｍ移動させ、ノズルからガーネット微粒子が含まれた水を２８００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で被加工面に噴射しながらＹ軸ステージでＡｌ−ＳｉＣブロックを１５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で走査させることを繰り返す。
【００１９】
図２は、上記の方法で加工した溝の等倍写真であるが、フィンが精度良く作製されていることがわかる。
【００２０】
上記のウォータージェット加工によりアスペクト比（ｂ／ｃ）＝８／２＝４のフィンを容易に加工することができる。
【００２１】
絶縁層２は、放熱性を高める上で熱伝導度が高いことが望ましく、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3といったセラミックスが良い。セラミックスは、ヒートシンク１と配線回路部３の熱膨張や収縮による応力でクラックが生ずる恐れがあったり、高価であるため、場合によっては樹脂でも良い。絶縁性が高く熱伝導度の大きな樹脂としては、たとえば、Ａｌ2Ｏ3粉末やＡｌＮ粉末などの無機フィラーを混入したエポキシ樹脂が望ましい。
【００２２】
配線回路部３は、電気抵抗率が低いＣｕ、Ａｌなどの金属からなる。
【００２３】
ヒートシンク１ａ、絶縁層２、配線回路部３の固定は、絶縁層２が樹脂の場合、例えばホットプレス法でおこなわれる。すなわち、ヒートシンク１ａの平面１１ａに、絶縁層２、配線回路部３を重ねて、真空中で加熱しながら加圧することで固定することができる。例えば、絶縁層２がエポキシ樹脂の場合、１７０℃、加圧時間１時間、圧力４ＭＰａで固定することができる。絶縁層２がセラミックスの場合は、例えば、ろう付けによって行われる。例えば、配線回路部３がＡｌの場合、ヒートシンク１ａとセラミックス絶縁層２の間と、セラミックス絶縁層２とＡｌ配線回路部３の間にろう材をセットする。ろう材は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ−Ｍｇ組成の厚さ０．１ｍｍの箔である。ろう材をセットした後、配線回路部３の上に０．３ｋｇのＷ錘を乗せ、真空炉中で加熱し、６００℃で１時間保持し、冷却することでろう付けすることができる。
【００２４】
（実施形態２）
図３は、実施形態２に係る配線基板の側面図、図４は図３のＡ−Ａ線断面図である。実施形態１ではヒートシンク１ａのフィン１２ａの形状がストレートの繰り返し形状であったが、本実施形態のヒートシンク１ｂのフィン１２ｂが波板状の繰り返し形状である点だけが実施形態１と異なる。実施形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００２５】
本実施形態のヒートシンク１ｂのフィン１２ｂの形状は波板状で、幅ｃは１ｍｍ、溝の幅ａは１ｍｍ、溝の深さｂは４ｍｍ、フィン１２ｂのピッチ（ａ＋ｃ）は２ｍｍであるが、これは次のようにして加工されたものである。すなわち、Ａｌ−ＳｉＣブロックの下面が上面になるようにしてＸＹＺ３軸移動ステージに固定する。次にノズル径０．８ｍｍのウォータージェット噴射ノズルの先端から被加工面までの距離を１０ｍｍになるように、Ｚ軸ステージを調節する。次に、ノズルからガーネット微粒子が含まれた水を２８００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で被加工面に噴射しながらＸ軸ステージとＹ軸ステージでＡｌ−ＳｉＣブロックを１５０ｍｍ／ｍｉｎの速度でＳ字走査させる。１回の走査で深さ２ｍｍの溝ができるので、次にＺ軸移動ステージで被加工物のＡｌ−ＳｉＣブロックを２ｍｍ上昇させてノズルの先端に近づけ、ノズルからガーネット微粒子が含まれた水を２８００Ｋｇ／ｃｍ2の圧力で被加工面に噴射しながらＸ軸ステージとＹ軸ステージでＡｌ−ＳｉＣブロックを１５０ｍｍ／ｍｉｎの速度でＳ字走査することを繰り返すことで深さｂが４ｍｍのＳ字溝が加工される。次に、Ｚ軸ステージを元の位置に戻して、Ｘ軸ステージで被加工物のＡｌ−ＳｉＣブロックを２ｍｍ移動させ、ノズルからガーネット微粒子が含まれた水を２８００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で被加工面に噴射しながらＸ軸ステージとＹ軸ステージでＡｌ−ＳｉＣブロックを１５０ｍｍ／ｍｉｎの速度でＳ字走査させることを繰り返す。Ｓ字の溝が加工されることで、加工されない部分が波板状のフィンとなって残る。
【００２６】
溝の深さ方向は、ヒートシンク１ｂの平面１１ｂの面方向に対して垂直に限らず、図５に示すように斜め方向にしてもよい。図５は、フィン１ｃの側面図で、１２ｃがフィンである。例えば、溝の深さ方向を４５°としたい場合は、ノズルの噴射方向とヒートシンク１ｃの平面１１ｃの面方向とが４５°になるように配置すればよい。この場合、同じ厚さのヒートシンクと比較して、フィンの表面積を大きくすることができる。
【００２７】
図６及び図７は、別の形態のヒートシンク１ｄ、１ｅをフィン側から見た底面図であるが、ウォータージェットでは、フィンの形状を格子状フィン１２ｄ（図６）や折れ線状、鋸歯状フィン１ｅ（図７）に容易に加工することができる。また、このような格子状や折れ線状、鋸歯状のフィン形状にすることで、さらに表面積が増大し、放熱性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に係る回路基板の側面図である。
【図２】実施形態１に係る回路基板のヒートシンクの部分写真である。
【図３】実施形態２に係る回路基板の側面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】実施形態２に係る回路基板の別の形態のヒートシンクの側面図である。
【図６】実施形態２に係る回路基板の別の形態のヒートシンクの底面図である。
【図７】実施形態２に係る回路基板の別の形態のヒートシンクの底面図である。
【図８】従来の回路基板の側面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ・・・・・・・・ヒートシンク
２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・絶縁層
３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・配線回路部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・・・・・・・・・平面
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ・・・フィン
【図１】
2006286680.tif 000003
【図２】
2006286680.tif 000004
【図３】
2006286680.tif 000005
【図４】
2006286680.tif 000006
【図５】
2006286680.tif 000007
【図６】
2006286680.tif 000008
【図７】
2006286680.tif 000009
【図８】
2006286680.tif 000010